SE514809C2 - Metod och anordning för synkronisering av sändare och mottagare i digitalt system - Google Patents

Description

återskapa en normal TV-bild och den andra används tillsammans med den första för att skapa en större bild.

I skriften EP 441 732 beskrivs en mottagare för digitala radiosignaler.

Mottagaren utnyttjar en fönstermetod för att minimera intersymbol- interferensen som uppstår vid flervägsutbredning. För att minska de negativa effekterna vid förlust av bärvågornas ortogonalitet vid mot- tagníngen utrustas mottagaren med en tidsfönstermodiil som används för att extrahera användbara sampel ur den mottagna signalen.

I den amerikanska skriften US 5 228 025 beskrivs en metod för att översända digitala data via radio, företrädesvis till mobila mottagare.

Metoden innefattar översändande av synkroniseringssekvenser i form av åtminstone en frekvens som varierar på ett för mottagaren känt sätt. Vid mottagaren utnyttjas synkroniseringssekvenserna för att stämma av lokaloscillatom. I patentl står av minst tre referensfrekvenser varav frekvensskillnaden mellan två av dessa ej är konstant.

I den första prototypen för sändning och mottagning av DAB (Digital Audio Broadcasting) användes två synkramar. Den första kallas noll- ram och innehåller ingenting, vilken används av mottagaren dels för ramsynkronisering, dels för estimering av interferens i kanalen. Den andra ramen består av en så kallad cliirp eller sine sweep signal som är en sinussignal vars frekvens ändras linjärt med tiden och som sveper över hela kanalbandbredden. Denna används av mottagaren dels för timing, dvs uppdelning i FPT-ramar, dels för estimering av kanalens överföringsfunktion. Hur justering av samplingsklocka och bärvågs- frekvens utförs har inte kunnat utrönas. I den slutliga DAB-specifika- tionen har chirp-ramen ersatts av en så kallad TFPC-signal (Time Frequency Phase Control) som används av mottagaren både för timing, frekvensjustering och för estimering av överföringsfunktionen. ~^q5n~ RBDoGöRELsE rön UPPFNNINGEN rmcmisicr Pnom-:iu I samband med överföring av digital programiriformation till mot- tagare föreligger behov att synkronisera informationen i mottagaren. I den digitala programöverföringen överförs mycket stora informations- mängder under begränsade tider. Vid programöverföring som inne- fattar bildinformation är denna information synnerligen hög. Syn- kronisering sker genom detektering av chirpsigrialens position. Man utnyttjar härvid en uppsättning korrelatorer. Antalet multiplikationer och additioner per tidsenhet är enormt vid utnyttjande av realtids- korrelation.

LÖSNINGEN Föreliggande uppfinning avser metod för synkronisering av sändare och mottagare i ett digitalt system. Information från sändaren överförs till mottagaren i ramar. Varje ram innefattar information som är av- sedd att mottas av vissa mottagare eller information som är avsedd att införas i bestämda positioner i mottagaren. Information som är avsedd att införas på bestämda positioner i mottagaren kan exempelvis vara bildinformation. Ett antal ramar sänds tillsammans i en så kallad superram. Varje superram inleds med åtminstone en synkroniserings- ram âtföljd av ett bestämt antal informationsbärande ramar. I uppfinningen utnyttjas en eller flera synkroniseringsramar med chirpsignal. Chirpsignalen är en sinussignal som ändras linjärt i tiden.

I en föredragen utföringsform utnyttjas två chirpsignaler som är varandras inverser enligt figur 2. I mottagaren jämförs de mottagna signalerna med en lagrad chirpsignal. Antalet lika bitar i den mottagna och de lagrade signalerna räknas. Synkronisering mellan mottagare och sändare föreligger när antalet lika bitar är nära noll eller nära N.

Antalet lilN/ 2 respektive OOOOÖC n C C ( I ,. 514 soaffljp. j! ( . < ett undre värde B uppdelats i.

I en vidareutveckling av uppfinningen jämförs antalet lika bitar med ett övre värde A>N/2 och ett undre värde B fördefinierade signalen detekterats när antalet lika bitar är större än A eller mindre än B. Chirpsigrialen är tidsmässigt i fas då utsignalen från en av korrelatorerna är nära noll eller nära antalet sampel i en korrelations-frekverxs. Korrelatorns utsignal genererar vidare en puls vilken indikerar en grov inställning av tiden. När sampelräknaren är nära det förväntade värdet och en ramräknare är lika med 1 har synkronisering i tiden erhållits.

Det digitala system som utnyttjas är ett OFDM-system eller ett COFDM- system. Systemet är i första hand avsett för programöverföring.

Uppfinningen avser vidare en anordning för synkronisering av sändare och mottagare i ett digitalt system där informationen överförs i ramar. En sekvens av ramar bildar en superram och varje superram innefattas av 1 st informationsbärande ramar och åtminstone en syn- kroniseringsram. Synkroniseringsramen är tilldelad en fördefinierad signal. Mottagaren mottar en signal och delar upp denna i två kom- ponenter, i och q, som företrädesvis är fasförskjutna 90° i förhållande till varandra. I- respektive q-signalerna omvandlas till digitala ord som motsvarar varje ram. Ett antal dylika ord adderas till varandra och bil- dar nya digitala ord, decimering sker. De decimerade signalerna jäm- förs med en korrelationsreferens. När antalet lika bitar i korrelations- referensen och den mottagna signalen erhållits föreligger korrelation och signalen fördröjs en ram och adderas till sig själv. Den så erhållna signalen jämförs mot ett tröskelvärde. En kraftig korrelation i signalen är härvid detekterbar om chirpsigrialen detekterats. Den av I- och Q- signalerna som först detekteras utnyttjas härefter för uppdelning i ramar. flnofififl .-\ 514 eo9.U;w. ,_ ._a. 'crv FÖRDELAR Den föreslagna lösningen anger en metod som är enkel att införa i kommande digitala system och befintliga system. Uppfinningen anger en förenklad metod där endast teckenbitarna i korrelationsprocessorn räknas. Detta innebär att det stora antal multiplikationer och additíoner som normalt behöver göras i en realtidskorrelation rninskas drastiskt.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar en första utföringsform av uppfinningen i blockschema- form.

Figur 2 visar en andra utföringsform där signalen uppdelats i en I- och en Q-signal före den binära korrelationen.

Figur 3 visar ytterligare en utföringsform där decimering införts.

Figur 4 visar principen för decimering.

Figur 5 visar en superram med synkroniseringsramar och dataramar.

Dl-:TALJBRAD UrFöRnvGsroRM En signalsekvens utsänds från en sändare och mottas utav en mot- tagare. Signalsekvensen innefattar ett antal ramar som sammanställs till en superram. I början av varje superram är en eller flera synkroni- seringsramar anordnade. Åtminstone en av de nämnda synkroni- seringsramarna innehåller så kallade chirpsignaler. En chirpsignal är en sinussignal som ändras linjärt i tiden. För att detektera chirp- signalens position används en uppsättning korrelatorer. Auto- korrelationen för en chirpsignal har ett mycket skarpt maximum. lf. @ rrfórcfi <* ~ *' v :('“', x ° ' ' x < = f' t! < , l- . f i ( i .

I mottagaren mottas chirpsignalens teckenbit och jämförs med en lagrad chirpsigrial. Signaler-na jämförs genom att processeras genom ett antal XNOR-grindar. Antalet lika bitar, dvs hamming-vikten av den resulterande vektorn, erhålles som utsignal från korrelatom.

Två randomiserade okorrolerade vektorer av längden N är korrelerade och utsignalen från korrelatorn blir N/2 i medeltal. Om korrelations- koefficienten mellan vektorerna är 1 blir utsignalen N och när korre- lationskoefficienten är -1 blir utsignalen 0. Utsignalen från korrelatorn måste därför jämföras med två gränser. Den första gränsen A skall vara större än N/ 2 och den andra gränsen B skall vara mindre än N /2. Om utsignalen är större än A eller mindre än B har en chirpsignal detekterats.

Initialt är chirpsignalens fas och frekvens okända och två korrelatorer används för att klara detta.

Mottagna data korreleras kontinuerligt med den lagrade chirpsignalen, vilken är densamma för både upp och nedchirpar eftersom en real korrelation utförs. När den mottagna chirpsignalen är korrekt inställd är utsignalen från en av korrelatorerna antingen nära noll eller nära antalet sampler i korrelationsreferensen. Utsignalen från korrelatorn jämförs med två referenser och om ett värde utanför dessa referenser detekteras genereras en utsignal som indikerar en grovínställning av tiden. Om inget utvärde erhålles från korrelatorn ändras gränsema tills detektering uppkommer. Grovinställningsalgoritmen, som kon- trolleras av en signalprocessor förklaras i det följande: Iflockfrekvensuppskattrning 1. Ladda tröskelvärden i hårdvaran från signalprocessom. 2. Förinställ sampel genom ramräknare, nollställ ur synk-räknare och time-out-räknare. 3. Starta korrelationen. 4. Om chírpsignalen är detekterad gå till 6, annars gå till 5. n^OhF1 n 514 809 t'r.l7f .aqqq afi/vfl 5. Om tiden är mindre än time-out gå till 4 annars justera tröskel- värdet och gå till 1. 6. Öka sampel genom ramräknaren med 1 för en sampel. 7. Om chirpsignalen är detekterad gå till 10, annars gå till 8. 8. Om tiden är mindre än time-out gå till 9, annars justera tröskel- värden och gå till 2. 9. Öka sampel genom ramräknaren med 1, gå till 7. 10. Läs innehållet i sampel genom ramrälmarert 11. Uppskatta sampelklockfrekvensfelet och justera klockan NCO. 12. Om beräknat klockfrekvensfel är större än 8 gå till 2.

Grovinställning av mottagarens FFT -fönster 1. Återställ sampel genom ramräknaren. 2. Om chirpsignalen detekterats gå till 3, annars gå till 2. 3. Sätt sampel genom ramräknaren samt nedströms dataflödet. 4. Om chirpsigrxalen detekterats gå till 5, annars gå till 4. 5. Överför innehållet i sampel genom ramräknaren till låsfunktionen och överför det till signalprocessorn och starta tidssynkroniserings- kontrollen i signalprocessorn, gå till 4.

Tidssynkroniseringskontroll i TMS Om innehållet i sampelräknaren är nära det förväntade värdet och ramräknaren är lika med 1 är tidssystemet i synkronisering. Om sam- pel genom ramräknaren har ett värde utanför det förväntade området innebär detta att tidssynkroniseringen har förlorats och ny synkroni- sering är nödvändig. i 1. Om innehållet i sampelräknaren är korrekt gå till 1, annars gå till 2. 2. Öka ur synkroriiseringsräknaren i signalprocessorn 3. Om ur synkroniseringsräknaren är mindre än eller lika med ur synkroniseringsgränsen gå till 1, annars gå till 4. 4. Mottagaren är ur synkronisering genomför synkronisering.

I figuren anger 1 frekvenskorrektion inklusive NCO, en numeriskt styrd oscillator. 2 och 3 är binära korrelatorer. 4 är en järnförare. 5 är en 514 eo9§ f. ( tillståndsmaskin. 6 och 7 är sampelräknare respektive ramräknare och 8 är låsfunktionen.

I figur 2 och 3 inkommer signalen som uppdelas på en I- och Q-signal varefter dessa signaler digitaliseras. Enligt figur 2 sker därefter en frekvenskorrektion. I utföringsformen enligt figur 3 visas hur likspän- níngsnivån kan uppskattas genom användning av data i en nollram.

Nollramens komplexa data lagras i en FIFO (Först ln Först Ut) som är läsbar från signalprocessorn. Likspänningskomponenterna för den reala och imaginära delen beräknas separat.

DCrea1 = Z Real (mottagen signal) nollram DCimag = 2 Imag (mottagen signal) nollram Líkspänningsfelet antas ha en mycket låg frekvens varför det är viktigt att inte introducera extra brus genom att uppdatera likspärmingsvärdet för ofta eller plötsligt. Uppskattningarna från varje ram medelvärde- bildas därför över stort antal ramar innan de utnyttjas i hårdvaran.

Enligt figur 3 sker härefter en decimering av signalen. Decimering kan ske med olika faktorer, exempelvis faktorn 1, 2 eller 4. Vilken faktor som utnyttjas är emellertid inte avgörande för uppfinningen. I figur 4 visas principen för decimering med en faktor 4. I originalsekvensen sammanslås fyra sampel till ett sampel. Eftersom signalen är komplex adderas den reala och imaginära delen för sig. Decimeringsprocessen kan ses som en filtrering.

EFT-fönstret i mottagaren skall positioneras så att den är i fas med sändarens EFT-fönster. Denna justering skall göras före mottagarens FFI' (Fast Fourier Transformering). Ett sätt att göra detta som utnyttjar signalens hela energi i en av ramarna är att korrelera den mottagna signalen mot en lokalt lagrad chirpsigrial. : ~ t < - < x I 514 809 K-l Real íCc (flll = Z Sign [Real {Ct (k) l l * 51811 (Real {Cr (1<+fi) } l och K-1 Imag {Cc (n)} = 2 Sign [Real {Ct (1<) }1* Sign [Imag {Cr (1<+I1) } 1 =0 där Ct = lokalt lagrad chirpsignal C; = mottagen chirpsignal CC = utsig-nal från korrelatorn.

Sekvenserna Ct och C; kan decimeras enligt den tidigare beskriv- ningen eftersom det inte är möjligt att införa en korrelator med fulla 16K längd. Ytterligare förenklingar erhålles genom att enbart använda teckenbiten vid korrelationen. Utsignalen från korrelatorn är därför hammingavståndet mellan teckenbiten för den lagrade och mottagna chirpsignalen. I decimering med två eller fyra används endast den centrala delen av chirpsignalen i den utnyttjade referenschirpsignalen.

Korrelationsspiken är mycket smal och signalenergin i korrelatom är koncentrerad i denna puls. Immuniteten mot interferens är därför stor. Algoritnien bryter ihop när interferensen är så stark att den påverkar teckenbiten signifikant, dvs när signal och interferenssígnal är lika starka.

Sampelldockfrekvensen uppskattas genom att observera tiden mellan korrelationsspikar i ett antal cykler i samplingsklockan. Signalen observeras efter bärvågskompensation. Det är känt hur många klock- cykler det skall vara i en superram. När två eller flera korrelations- spikar mottagits kan frekvensfelet i samplingsklockan uppskattas. Det observerade antalet klockcykler mellan korrelationsspikarna betecknas tíilbow; e < ic »_ :z Ltf: ç .gg <ç i (-. _* r , r x; ' w (- _ :rf- t < < < c r < C ' n; och det förväntade antalet klockcykler betecknas ng. Klock- frekvensen i mottagarens numeriskt styrda oscillator, NCO, är känd med en säkerhet på i lppm och betecknas fg. Ifiockfrekvensfelet Afdk kan beräknas som Afdk = fg (1-n1-/n0) Observationsintervallet för n;- kan sträcka sig över mer än en superram.

Enligt figur 3 sker vidare en fördröjning av den korrelerade signalen med en ram. Den fördröjda ramen adderas till den ofördröjda ramen och jämförs mot ett tröskelvärde. Den av signalerna som först upp- fyller tröskelvärdet utväljes därefter. Uppdelning sker därefter i ramar.

Uppfinningen är inte begränsad till den i ovan så som exempel visade utföringsformen utan kan underkastas modifikationer inom ramen för efterföljande patentkrav och uppfinningstarmke.

Claims (11)

4 çrx x: < 4 4: .l, 1. \( 51 f; '.-. .«' c' -' \~ ' < ( . . .- :t ~ =<_ g l l - ' PATENTKRAV

1. Metod för synkronisering av sändare och mottagare i ett digitalt system där information överförs i ramar, och ett antal ramar bildar superramar, och vissa ramar är informationsbärande och resterande ramar, í superramen, är synkroniseringsramar, och minst en synkroniseringsram tilldelas en fördefinierad signal, k ä n n e t e c k n a d av att en signal mottas och jämförs med en lagrad signal, att den mottagna och den lagrade signalen omvandlas till binära ord, att antalet binära ord är N st, att minst en bit i respektive ord jämförs, att antalet lika bitar räknas och att synkronisering föreligger när antalet lika bitar är större än ett övre tröskelvärde A, eller mindre än ett undre tröskelvärde B, att antalet binära ord i varje ram decimeras genom binär addition av respektive ramars binära ord, och att decimering företrädesvis sker med faktorerna 1, 2 eller 4.

2. Metod enligt patentkrav 1, k ä n ne t e c k n a d av att antalet lika bitar jämförs med ett övre värde, A>N/ 2 och att ett undre värde B

3. Metod enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att signalen uppdelas i tvâ komponenter, I och Q, som är fasförskjutna 90° till varandra.

4. Metod enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att synkronisering föreligger när antingen I eller Q eller bådadera indikerar synkronitet.

5. Metod enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att två korrelatorer utnyttjas för jämförelsen av I- respektive Q-signalen.

6. Metod enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att den fördefinierade signalen är en chirpsignal. .-.s~<-j«\f« ^'1'\.^ »AAA 17-705” -v~ß f .,A»c,1f 514 809~.:sm 13k»

7. Metod enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att chirpsignalen införs i två synkroniseringsramar, varvid chirpsignalernas imaginärvärden i de bägge synkroniseringsramarna har motsatt tecken i förhållande till varandra.

8. Metod enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e te c k n a d av att den mottagna signalen absolutvärdena av korrelationerna fördröjs en ram och adderas till absolutvärdena av korrelationssignalerna, och att en kraftigare korrelation erhålles när chirpsignalen detekteras vid korrelation.

9. Anordning för synkronisering av sändare och mottagare i ett digitalt system, där information överförs i ramar, där en sekvens av ramarna bildar en superram, och varje superram innefattar ett antal informationsbärande ramar och åtminstone en synkroniseringsram, och åtminstone en synkroniseringsram är tilldelad en fördefinierad signal, k ä n n e t e c k n a d av att mottagaren är anordnad att digitalisera den fördefinierade signalen och en mottagen signal, varvid vardera signalen omvandlas till N st binära ord bestående av en eller flera bitar, och att mottagaren är anordnad att räkna antalet lika bitar i den mottagna signalen och den fördefinierade signalen, samt att mottagaren är synkroniserad när antalet lika ord är nära noll eller större än ett övre tröskelvärde A, eller mindre än ett undre tröskelvärde B, att mottagaren är anordnad att decirnera antalet binära ord i varje ram genom addition av respektive ramars binära ord, och att decimeringen företrädesvis är utförd med faktorerna 1, 2 eller 4.

10. Anordning enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d av att mottagaren är anordnad att dela upp den mottagna signalen i två, i förhållande till varandra 90° fasförskjutna, komponenter I och Q, och att ett antal binära ord i den digitaliserade mottagna signalen adderas till varandra varvid ett nytt digitalt ord är bildbart och jämförbart med ett digitalt ord som bildats av mottagaren ur den fördefinierade signalen. 514 809 :_ y ti: < f, p, f r » n » _ IQ., -- ~:,< f r _ _ a - 't < t r - L x ~ ' * * l k. - _ . Vf > f

11. Anordning enligt patentkrav 10 eller 11, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen är anordnad att addera en ram fördröjd version av korrelätionsutsignal till korrelatorns utsignal, och att en av anordningen utförd jämförelse av det erhållna värdet mot ett tröskelvärde indikerar huruvida synkronism föreligger eller ej, samt att mottagaren vid indikerad synkronisering är anordnad att dela upp den mottagna signalen i sekvenser motsvarande ramarna.